Science：这才是真实的岩浆

地刊速览 · 公众号 · 科学 · 2024-10-23 08:25

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【导读】近日《科学》期刊发表文章，发现冰岛火山系统在2023-2024年的多次喷发并非来自单一岩浆库，而是多个化学成分不同的岩浆储层。研究人员通过分析熔岩和火山碎屑的地球化学特征，发现不同喷发物化学成分差异较大，且存在快速岩浆混合的证据。这表明中地壳岩浆域的复杂性和动态性，对于更准确地预测火山喷发、评估火山风险具有重要意义。

长期以来，科学家们普遍认为大多数洋岛和洋中脊上的玄武岩喷发是由位于中地壳或浅地壳的单一岩浆储层供给的。由于这些喷发产生的熔岩通常具有化学成分均一的特征，因此认为岩浆在喷发前经历了充分混合的过程。然而，2023 年 12 月至 2024 年 5 月期间，冰岛火山系统中火山裂隙发生的一系列喷发事件，对这一传统观点提出了挑战。

图1 熔岩流和裂缝的位置以及熔岩和火山岩样本的采集地点

为了探究冰岛火山岩浆域的真实面貌，由冰岛大学科研人员领导的国际研究团队对冰岛火山火山喷发产生的熔岩和火山碎屑进行了高分辨率采样和地球化学分析。

研究人员分析了样品的主量元素、微量元素、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 和 ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 同位素比值以及矿物成分。这些指标如同岩浆的“指纹”，可以用来追踪岩浆的来源和演化过程。

图2 喷发熔岩和火山岩与其他熔岩的地球化学变化比较

研究结果清楚地表明，1）冰岛火山喷发产生的物质在化学成分上存在显著的不均一性，这意味着这些喷发物不可能来自单一岩浆库。2）K₂O/TiO₂ 比值、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 和 ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 同位素比值以及不相容元素比值的差异，都指向冰岛火山下方存在多个化学成分差异的岩浆储层。3）不同喷发事件中地球化学特征的变化，表明这些岩浆储层并非一成不变，而是存在着复杂的动态演化过程，包括岩浆的注入、混合和分异等。4）某些熔岩和火山碎屑的化学成分介于两个端元成分之间，同时还存在骨骼状橄榄石和斜长石晶体，这些证据都表明在喷发前或喷发过程中发生了快速的岩浆混合。

图3 由OPAM和斜辉石液体气压计得出的岩浆平衡压力

该研究挑战了长期以来对火山系统简单化的认知，揭示了中地壳岩浆域的复杂性和动态性，对于更准确地预测火山喷发、评估火山风险具有重要意义。尽管这项研究聚焦于冰岛的火山，但其研究方法和成果对全球其他地区的火山研究具有重要的参考价值。

图4 冰岛火山下方中地壳岩浆域的结构及其随时间的演化

参考文献：Simon W. Matthews et al. (2024), A dynamic mid-crustal magma domain revealed by the 2023 to 2024 Sundhnúksgígar eruptions in Iceland. Science 386, 309-314. DOI:10.1126/science.adp8778

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